CN111129540A - 一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法 - Google Patents

一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法，所述结构包括质子交换膜燃料电池的电堆支撑箱体，两端需安装端板，用于电池片固定和承重；设置在支撑箱体底部的两块电阻板，其一端均设有滑槽，用于通电加热燃料电池电堆；带有螺纹孔的可移动电极，一端支撑在电阻板滑槽内，用于与电源连接且可移动；螺纹杆，一端与电机连接，可旋转，能够实现与其配合的电极的移动。本发明中电阻板靠电堆端盖的一端和所设电极分别连接电源两极形成回路，由于电极可移动，可以实现加热区域的改变。本发明的优点在于：能在电堆冷启动时，实现电堆温度的均匀性，加热所耗能量少。

Description

一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及 其控制方法
技术领域
本发明涉及质子交换膜燃料电池技术领域，具体涉及一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法。
背景技术
质子交换膜燃料电池电堆中多个电池单体层叠组合，设置在一对端板之间。电池内部包括膜电极、气体扩散层及双极板等，电池启动时以氢气和氧气为燃料进行电化学反应，将化学能转化为电能，最终产物为水，并且其能量转换效率高、工作时无噪音，因此被视为一种清洁、高效的绿色环保电源。由于传输质子的需要，质子交换膜有一定湿度，且电池内化学反应生成的水残留在阴极处，在低温环境中，质子交换膜残留水和阴极残留水凝结成冰，导致反应物无法充分反应，电池无法启动的现象，进而导致燃料电池性能衰退。
现有多种质子交换膜燃料电池冷启动方法，大多未关注电堆中间和两端的电池单体的温度差异，未改善冷启动时电堆温度均匀性，冷启动所需时间较长。
发明内容
鉴于此，本发明提供一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法。本发明控制质子交换膜燃料电池冷启动时电堆的加热区域，减少燃料电池低温冷启动所需时间，提高电堆启动时的热均衡性，保证电堆温度快速到达凝点以上，提升质子交换膜燃料电池电堆的使用性能与使用寿命。
为实现上述目标，本发明采用如下方案：一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体,包括：电堆支撑箱体1，加热电阻板A3，加热电阻板B6，移动电极A7，移动电极B8，螺纹杆4，硅橡胶材料9；
电堆支撑箱体1用于放置燃料电池片，电池片层叠放置，相互之间串并联连接；电堆支撑箱体1两端安装前后端板，用螺钉固定连接，两处端板用于压紧燃料电池片；电堆支撑箱体1内放置有温度传感器，检测不同位置处的电池单体温度，电堆支撑箱体1底部分布有多个螺纹孔，用于与加热电阻板A3，加热电阻板B6连接固定；电堆支撑箱体1的材料绝缘且导热；
所述加热电阻板A 3、加热电阻板B 6均平铺在电堆支撑箱体1底部，结构相同且为板状；加热电阻板A 3、加热电阻板B 6的一端均开有一段滑槽；
所述移动电极A 7一端卡在加热电阻板A 3的滑槽内，所述移动电极B 8一端卡在加热电阻板B 6的滑槽内，所述移动电极A7、移动电极B8的另一端均有一贯穿的螺纹孔，所述螺纹杆9从中穿过；所述移动电极A 7、移动电极B 7通过螺纹孔与螺纹杆9相配合，且两个移动电极的初始位置位于靠近电堆支撑箱体1中间的位置，该位置用硅橡胶材料9隔开；所述螺纹杆9的一端与电机相连，可驱使其旋转，由于移动电极A 3、移动电极B 6螺纹孔的螺纹旋向相反，螺纹杆9旋转时，移动电极A 7、移动电极B 8向相反方向移动，且移动电极A 7和加热电阻板A 3靠电堆端板的一端与电源两极相连，移动电极B 8和加热电阻板B 6靠电堆端板的一端与电源两极相连,构成两个回路。
进一步，螺纹杆9由绝缘材料制作。
进一步，所述加热电阻板A 3、加热电阻板B 4除滑槽表面外，其余表面均涂有绝缘材料。
本发明的控制方法的技术方案为：一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体的控制方法,电池管理系统通过温度传感器检测不同位置电池片温度数据，并判断电池温度是否到达凝点，由此确定需要加热的区域，以及控制加热回路中电流的大小，并通过控制电机的转速，调节螺纹杆4的转速和移动电极A 7、移动电极B 8的移动速度；具体包括以下步骤：
步骤1：在质子交换膜燃料电池不能正常启动时，进入冷启动程序，两个用于加热的回路接通电源，加热电阻板A 3、加热电阻板B 6开始加热电堆；
步骤2：电池管理系统通过温度传感器检测不同位置电池片温度数据，并判断电堆中间处电池温度是否到达凝点；
步骤3：若中间位置电池温度未达到凝点，则返回步骤1，继续加热电堆，若中间位置电池温度达到凝点，进行步骤4；
步骤4：电池管理系统控制电机旋转，螺纹杆4旋转，由于移动电极A 7、移动电极B8上螺纹孔旋向相反，两者分别向电堆两端移动；
步骤5：判断移动电极A 7、移动电极B 8是否到达极限位置，若未到达极限位置，则返回步骤2，若到达极限位置，进行步骤6；
步骤6：加热电阻板A 3、加热电阻板B 6与电源断开，停止加热，电池管理系统控制电机向反方向旋转，螺纹杆4反向旋转使移动电极A 7、移动电极B 8回到初始位置，所述质子交换膜燃料电池低温冷启动过程结束。
进一步，步骤2中，电堆中布置多个薄膜式ntc温度传感器，从电堆支撑箱体1的左侧到右侧依次布置在相邻电池单体中间的中央位置，检测电池单体中央位置的温度，一个温度传感器布置于电堆支撑箱体外部，检测支撑箱体外部环境温度；温度采集器采集温度传感器输出的电信号，并转换成数字信号，提供给电池管理系统；电池管理系统与温度采集器相连，控制温度采集器的采样频率和采样时序，接收并储存来自温度采集器的信号，由此可得到电堆不同位置处电池单体的温度，若单体温度低于0摄氏度，则判定该单体温度低于凝点。
进一步，还包括，在电堆冷启动阶段，可移动电极初始位置位于中间处，电堆不同位置电池单体温度作为可移动电极是否移动的判断依据，可移动电极向两端移动需满足条件：
1)移动电极相应位置处的电池单体温度超过0摄氏度；
2)单个加热区域内温度高于0摄氏度的电池单体数量超过电堆中单体总数的10％。
进一步，步骤4中，根据燃料电池内部的温度分布情况，控制电机的转速，即控制移动电极A 7、移动电极B 8的移动速度，调节螺纹杆4的转速，确保加热时燃料电池内部温度均匀；同时，电池管理系统根据电机的旋转判断移动电极A 7、移动电极B 8的位置，获取当前加热的电堆区域，结合环境温度，调节加热回路的电流大小，缩短冷启动时间。
进一步，步骤6中，若移动电极A 7、移动电极B 8到达滑槽极限位置，再次设定一定的加热时间，加热结束后电极返回初始位置，保证电堆两端的电池片冷启动成功。
与现有关于燃料电池冷启动的发明专利相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法通过在相邻电池单体中间的中央位置及电堆箱体外侧布置薄膜式ntc温度传感器，检测每片电池单体中央位置的温度及环境温度，得到电堆不同位置处的温度数据。
(2)本发明提供的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法实时对比电堆不同位置处温度以及环境温度，控制加热回路中电流大小，供热效果更好，进一步缩短电堆冷启动时间。
(3)本发明提供的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法以燃料电池电堆不同位置冷启动时温度到达凝点的顺序不同为基础，仅对电堆中温度低于凝点的区域加热，降低了电堆冷启动所耗能量，且改善电堆冷启动时的电池温度一致性。
(4)本发明提供的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法通过对加热区域的控制，避免对已经冷启动成功的电池单体过度加热，损坏电池使用性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池加热系统图；
图2为本发明实施例提供的燃料电池加热系统所用加热电阻板结构示意图；
图3为本发明实施例提供的可移动电极结构示意图；
图4为本发明实施例提供的电堆支撑箱体俯视图；
图5为本发明实施例提供的质子交换膜燃料电池低温冷启动控制方法。
其中：1-电堆支撑箱体、2-螺纹孔A、3-加热电阻板A、4-螺纹杆、5-螺纹孔B、6-加热电阻板B、7-移动电极A、8-移动电极B、9-硅橡胶材料
具体实施方式
本发明实施例公开了一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法，用于质子交换膜燃料电池的低温启动，能保证燃料电池在低温环境中快速启动，且实现电堆的均匀加热。
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1、图2、图3所示，本发明所述的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法,包括：电堆支撑箱体1，加热电阻板A3，加热电阻板B6，可移动电极A7，可移动电极B8，螺纹杆4，硅橡胶材料9。
电堆支撑箱体1用于放置燃料电池片，电池片层叠放置，相互之间串并联连接。箱体两端处安装前后端板，用螺钉固定连接，两处端板用于压紧燃料电池片。电堆支撑箱体1内放置有温度传感器，检测不同位置处的电池单体温度。其底部分布有8个螺纹孔，用于与两块电阻板连接固定。支撑箱体的材料绝缘且导热性较好。
同时，加热电阻板A 3、加热电阻板B 6与电堆支撑箱体连接固定，两块电阻板均位于支撑箱体底部，结构相同。加热电阻板A 3、加热电阻板B 6的一端均开有一段滑槽，且分别在板上留有4处螺纹孔，用于与箱体连接固定。所述加热电阻板A 3、加热电阻板B6除滑槽表面外，其余表面均涂有绝缘材料。
同时，所用的移动电极A 7、移动电极B 8，其一端卡在加热电阻板A 3及加热电阻板B 6的滑槽内，另一端有一贯穿的螺纹孔，且两个移动电极上的螺纹旋向相反。移动电极A7、移动电极B 7通过螺纹孔与螺纹杆9相配合，且两个电极的初始位置位于靠近电堆中间的位置。螺纹杆9由绝缘材料制作，其一端与电机相连，可驱使其旋转，由于移动电极A 3、移动电极B 6的螺纹旋向相反，螺纹杆9旋转时，移动电极A 7、移动电极B 8向相反方向移动。且移动电极A 7和加热电阻板A 3靠电堆端板的一端与电源两极相连，移动电极B 8和加热电阻板B 6靠电堆端板的一端与电源两极相连,构成两个回路。
结合所述的质子交换膜燃料电池的箱体结构系统，如图4所示，本发明提供如下控制方法：
电池管理系统通过温度传感器检测不同位置电池片温度数据，并判断电池温度是否到达凝点，由此确定需要加热的区域，以及控制加热回路中电流的大小，并通过控制电机的转速，调节螺纹杆4的转速和移动电极A 7、移动电极B 8的移动速度。
本发明涉及的质子交换膜燃料电池低温冷启动方法包括以下步骤。如图5所示。
步骤1：在所述质子交换膜燃料电池不能正常启动时，进入冷启动程序。两个用于加热的回路接通电源，加热电阻板A 3、加热电阻板B 6开始加热电堆。
步骤2：电池管理系统通过温度传感器检测不同位置电池片温度数据，并判断电堆中间处电池温度是否到达凝点。
步骤3：电池管理系统根据温度数据判断中间位置电池温度是否到达凝点。若中间位置电池温度未达到凝点，则返回步骤1，继续加热电堆。若中间位置电池温度达到凝点，进行步骤4。
步骤4：电池管理系统控制电机旋转，螺纹杆4旋转，由于移动电极A 7、移动电极B8上螺纹孔旋向相反，两者分别向电堆两端移动。
步骤5：电池管理系统判断移动电极A 7、移动电极B 8是否到达极限位置。若未到达极限位置，则返回步骤2。若到达极限位置，进行步骤6。
步骤6：加热电阻板A 3、加热电阻板B 6与电源断开，停止加热。电池管理系统控制电机向反方向旋转，螺纹杆4反向旋转使移动电极A 7、移动电极B 8回到初始位置，所述质子交换膜燃料电池低温冷启动过程结束。
本发明专利中，可以利用设置在燃料电池内部的温度检测装置(如温度计)监测并测量燃料电池电堆不同位置的温度，并将温度信息统计反馈给电池管理系统。本申请中的电堆中布置多个薄膜式ntc温度传感器，从电池箱的左侧到右侧依次布置在相邻电池单体中间的中央位置，检测电池单体中央位置的温度。一个温度传感器布置于电堆支撑箱体外部，检测支撑箱体外部环境温度。温度采集器采集温度传感器输出的电信号，并转换成数字信号，提供给电池管理系统。电池管理系统与温度采集器相连，控制温度采集器的采样频率和采样时序，接收并储存来自温度采集器的信号，由此可得到电堆不同位置处电池单体的温度，若单体温度低于0摄氏度，则判定该单体温度低于凝点。
本发明专利中，在电堆冷启动阶段，电堆内两端位置的电池单体与外界环境直接接触，较多热量散失，温升较慢，而靠电堆中间处的电池单体温升较快，因此可移动电极初始位置位于中间处。电堆不同位置电池单体温度作为可移动电极是否移动的判断依据。可移动电极向两端移动需满足条件：
(1)可移动电极相应位置处的电池单体温度超过0摄氏度；
(2)单个加热区域内温度高于0摄氏度的电池单体数量超过电堆中单体总数的10％。
本发明专利中，电池管理系统可根据电堆所处环境温度，调节加热回路中的电流大小。
在本申请的步骤1中，可以根据燃料电池的功率，电池内部反应气体的流量、电极反应化学计量比等来预先设置每次实施步骤1的时间,加热时移动电极A 7、移动电极B 8静止。当达到所述时间后，停止实施所述步骤1并开始实施所述步骤2。
在本申请的步骤4中，可以根据燃料电池内部的温度分布情况，控制电机的转速，即控制电极的移动速度，调节螺纹杆4的转速，确保加热时燃料电池内部温度均匀。同时，电池管理系统根据电机的旋转判断移动电极A 7、移动电极B 8的位置，获取当前加热的电堆区域，结合环境温度，调节加热回路的电流大小，缩短冷启动时间。
在本申请的步骤6中，若移动电极A 7、移动电极B 8到达滑槽极限位置，再次设定一定的加热时间，加热结束后电极返回初始位置，保证电堆两端的电池片冷启动成功。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法，缩短质子交换膜燃料电池冷启动时间，提高质子交换膜燃料电池启动时的热均衡性，避免对燃料电池单体过度加热，改善电池的使用性能。
综上，本发明的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体及其控制方法，所述结构包括质子交换膜燃料电池的电堆支撑箱体，两端需安装端板，用于电池片固定和承重；设置在支撑箱体底部的两块电阻板，其一端均设有滑槽，用于通电加热燃料电池电堆；带有螺纹孔的可移动电极，一端支撑在电阻板滑槽内，用于与电源连接且可移动；螺纹杆，一端与电机连接，可旋转，能够实现与其配合的电极的移动。本发明中电阻板靠电堆端盖的一端和所设电极分别连接电源两极形成回路，由于电极可移动，可以实现加热区域的改变。本发明的优点在于：能在电堆冷启动时，实现电堆温度的均匀性，加热所耗能量少。

Claims (8)

1.一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体,其特征在于，包括：电堆支撑箱体(1)，加热电阻板A(3)，加热电阻板B(6)，移动电极A(7)，移动电极B(8)，螺纹杆(4)，硅橡胶材料(9)；
电堆支撑箱体(1)用于放置燃料电池片，电池片层叠放置，相互之间串并联连接；电堆支撑箱体(1)两端安装前后端板，用螺钉固定连接，两处端板用于压紧燃料电池片；电堆支撑箱体(1)内放置有温度传感器，检测不同位置处的电池单体温度，电堆支撑箱体(1)底部分布有多个螺纹孔，用于与加热电阻板A(3)，加热电阻板B(6)连接固定；电堆支撑箱体(1)的材料绝缘且导热；
所述加热电阻板A(3)、加热电阻板B(6)均平铺在电堆支撑箱体(1)底部，结构相同且为板状；加热电阻板A(3)、加热电阻板B(6)的一端均开有一段滑槽；
所述移动电极A(7)一端卡在加热电阻板A(3)的滑槽内，所述移动电极B(8)一端卡在加热电阻板B(6)的滑槽内，所述移动电极A(7)、移动电极B(8)的另一端均有一贯穿的螺纹孔，所述螺纹杆(9)从中穿过；所述移动电极A(7)、移动电极B(7)通过螺纹孔与螺纹杆(9)相配合，且两个移动电极的初始位置位于靠近电堆支撑箱体(1)中间的位置，该位置用硅橡胶材料(9)隔开；所述螺纹杆(9)的一端与电机相连，可驱使其旋转，由于移动电极A(3)、移动电极B(6)螺纹孔的螺纹旋向相反，螺纹杆(9)旋转时，移动电极A(7)、移动电极B(8)向相反方向移动，且移动电极A(7)和加热电阻板A(3)靠电堆端板的一端与电源两极相连，移动电极B(8)和加热电阻板B(6)靠电堆端板的一端与电源两极相连,构成两个回路。
2.根据权利要求1所述的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体,其特征在于，螺纹杆(9)由绝缘材料制作。
3.根据权利要求1所述的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体,其特征在于，所述加热电阻板A(3)、加热电阻板B(4)除滑槽表面外，其余表面均涂有绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体的控制方法,其特征在于，电池管理系统通过温度传感器检测不同位置电池片温度数据，并判断电池温度是否到达凝点，由此确定需要加热的区域，以及控制加热回路中电流的大小，并通过控制电机的转速，调节螺纹杆(4)的转速和移动电极A(7)、移动电极B(8)的移动速度；具体包括以下步骤：
步骤1：在质子交换膜燃料电池不能正常启动时，进入冷启动程序，两个用于加热的回路接通电源，加热电阻板A(3)、加热电阻板B(6)开始加热电堆；
步骤2：电池管理系统通过温度传感器检测不同位置电池片温度数据，并判断电堆中间处电池温度是否到达凝点；
步骤3：若中间位置电池温度未达到凝点，则返回步骤1，继续加热电堆，若中间位置电池温度达到凝点，进行步骤4；
步骤4：电池管理系统控制电机旋转，螺纹杆(4)旋转，由于移动电极A(7)、移动电极B(8)上螺纹孔旋向相反，两者分别向电堆两端移动；
步骤5：判断移动电极A(7)、移动电极B(8)是否到达极限位置，若未到达极限位置，则返回步骤2，若到达极限位置，进行步骤6；
步骤6：加热电阻板A(3)、加热电阻板B(6)与电源断开，停止加热，电池管理系统控制电机向反方向旋转，螺纹杆(4)反向旋转使移动电极A(7)、移动电极B(8)回到初始位置，所述质子交换膜燃料电池低温冷启动过程结束。
5.根据权利要求4所述的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体的控制方法,其特征在于，步骤2中，电堆中布置多个薄膜式ntc温度传感器，从电堆支撑箱体(1)的左侧到右侧依次布置在相邻电池单体中间的中央位置，检测电池单体中央位置的温度，一个温度传感器布置于电堆支撑箱体外部，检测支撑箱体外部环境温度；温度采集器采集温度传感器输出的电信号，并转换成数字信号，提供给电池管理系统；电池管理系统与温度采集器相连，控制温度采集器的采样频率和采样时序，接收并储存来自温度采集器的信号，由此可得到电堆不同位置处电池单体的温度，若单体温度低于0摄氏度，则判定该单体温度低于凝点。
6.根据权利要求4所述的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体的控制方法,其特征在于，还包括，在电堆冷启动阶段，可移动电极初始位置位于中间处，电堆不同位置电池单体温度作为可移动电极是否移动的判断依据，可移动电极向两端移动需满足条件：
1)移动电极相应位置处的电池单体温度超过0摄氏度；
2)单个加热区域内温度高于0摄氏度的电池单体数量超过电堆中单体总数的10％。
7.根据权利要求4所述的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体的控制方法,其特征在于，步骤4中，根据燃料电池内部的温度分布情况，控制电机的转速，即控制移动电极A(7)、移动电极B(8)的移动速度，调节螺纹杆(4)的转速，确保加热时燃料电池内部温度均匀；同时，电池管理系统根据电机的旋转判断移动电极A(7)、移动电极B(8)的位置，获取当前加热的电堆区域，结合环境温度，调节加热回路的电流大小，缩短冷启动时间。
8.根据权利要求4所述的一种实现均匀加热的质子交换膜燃料电池低温冷启动箱体的控制方法,其特征在于，步骤6中，若移动电极A(7)、移动电极B(8)到达滑槽极限位置，再次设定一定的加热时间，加热结束后电极返回初始位置，保证电堆两端的电池片冷启动成功。
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